第5章直流直流开关型变换器习题答案.docx
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第5章直流直流开关型变换器习题答案
第5章直流-直流开关型变换器习题
第1部分：
简答题
1.开关器件的导通占空比是如何定义的？
直流－直流开关型变换器有哪几种控制方式，各有何特点？
其中哪种控制方式最常用，为什么？
答：
导通占空比被定义为开关期间的导通时间占工作周期的比值，即Dton，
Ts
直流－直流开关型变换器有三种控制方式：
1）脉冲宽度调制PWM，特点为：
周期不变，通过改变导通时间来调节占空比。
2）脉冲频率调制PFM，特点为：
导通时间不变，通过改变周期来调节占空比。
3）混合型调制，特点为：
导通时间和周期均可改变，来调节占空比。
其中PWM最常用，因为载波（开关）频率恒定，滤波器设计较容易，且有利于限制器件的开关损耗。
2.画出带LC滤波的BUCK电路结构图。
并回答下列问题：
实用的BUCK电路中为什么要采用低通滤波器？
为什么要接入续流二极管？
设计滤波器时，滤波器的转折频率应如何选取，为什么？
答：
带LC滤波的BUCK电路结构图如下：
1）实用Buck电路采用低通滤波器可以滤除高次谐波，使输出电压更接近直流。
2）续流二极管的作用是：
当开关VT断开时，构成续流回路，释放电感储能。
3）滤波器的转折频率fc应远小于开关频率fs，以滤除输出电压中的高次谐波
3.画出BOOST电路结构图，并简述BOOST电路中二极管和电容的作用
答：
BOOST电路结构图如下：
二极管的作用：
规定电流方向，隔离输出电压
电容的作用：
在开关断开期间，保持负载电压
4.简述稳态电路中电感和电容上电压、电流的特点，并分析其物理意义
答：
1）稳态时，电感上的电压在1个周期上平均值为零，即伏秒平衡。
物理意义是:
稳态时电感中磁通在1个周期内净变化量为零。
2）稳态时，电容上的电流在1个周期上平均值为零，即安秒平衡。
物理意义是：
稳态时电容上电荷在1个周期内净变化量为零
5.为什么BUCK电路可以看作是直流降压变压器，而BOOST电路可以看作是直流升压变压器？
这种变换器与真正的变压器相比有何异同之处？
答：
1）因为在连续导通模式下，Buck和BOOST电路都可以通过调节占空比D,使变压比Uo/Ud在
0～1和大于1的范围内连续调节，因此从变压角度看，可将它们视为直流降压变压器和升压变压器。
2）和真正变压器相比，相同之处在于：
Uo/Ud，Io/Id的表达式相同不同之处在于：
对于Buck电路，尽管平均电流Id与Io之间也符合变压器的变比关系，但id瞬时值不是直流，含有与开关频率有关的脉动量。
BOOST电路不能空载工作。
6.关于输出电压的脉动，回答下列问题：
1）输出电压的脉动率是如何定义的？
2）其它条件不变时，电容值的变化对输出电压的脉动率的大小有何影响，并定性地分析产生这种影响的原因？
3）其它条件不变时，器件开关频率的变化对输出电压的脉动率的大小有何影响，并定性地分析产生这种影响的原因？
4）以BUCK电路为例，说明如何进行合理的设计，以保证较小的输出电压的脉动率。
答：
2）电容值越大，输出电压脉动率越小。
理由是：
电容越大，滤波效果越好，V0越小，使输出电压脉动率减小
3）器件开关频率越高，输出电压脉动率越小。
理由是：
开关频率越高，输出电压中包含的高次谐波的频率越高，经电容滤波后衰减越大，则V0越小，使输出电压脉动率减小。
4）BUCK电路在连续导通模式下，输出电压脉动率为：
Vo1Ts2（1D）
Vo8LC
可见，合理选择LC，即使可LC足够大，则可保证足够小的输出电压的脉动率
7.什么是寄生元件效应，该效应对BOOST电路的变压比有何影响？
从控制角度，应如何减小寄生效应的不良影响。
答：
1）电感，电容，开关，二极管等元件上的损耗产生了寄生元件效应，当D接近1时，实际
的变压比有所下降。
2）应用时，一般要限制占空比D使其不要过大，以使寄生效应不明显。
8.关于DC－DC可逆变换器（斩波电路），回答下列问题：
1）简述为什么BUCK电路和BOOST电路只能工作于输出特性Vo-Io平面中的一个象限中。
2）什么是可逆斩波电路？
简述可逆斩波电路的种类，并结合其电路结构的特点说明其为什么能实现可逆运行。
3）在桥式DC－DC变换器中，为什么每个桥臂中的两个器件通常工作在互补开关方式下？
每个桥臂中的两个器件在其开关过程中为什么要设置死区时间？
4）全桥DC－DC变换器通常采用哪两种控制方式，它们的控制效果有何差别？
答：
1）BUCK电路和BOOST电路输出电流是单方向的，电压也不能反向，故只能工作于输出特性
V0-I0平面中的一个象限内。
2）电能可以双向流动的斩波电路叫可逆斩波电路。
可逆斩波电路分为半桥可逆斩波电路，全桥可逆斩波电路。
下面以半桥可逆斩波电路（如下图所示）为例，说明其可逆运行的原理。
半桥可逆斩波电路可看作是降压斩波电路和升压斩波电路的组合。
其中V1和VD1构成降压斩
波电路，向负载输出电能。
V2和VD2构成升压斩波电路，将负载上电能反馈回直流电源。
这样就实现了可逆运行。
3）每个桥臂中的两个器件通常工作在互补开关方式下，是为了使同一桥臂的上下两个开关不会同时断开，这样可以保证负载电流是连续的。
在理想情况下，两个开关不会同时断开。
而实际应用中，在开关过程中，为避免同一桥臂的上下两个开关，在开关状态切换的瞬间造成桥臂直通和直流电源瞬间短路，需要设置死区时间，即在切换瞬间2个器件均处于关断状态。
4）全桥DC－DC变换器通常采用双极性PWM控制和单极性PWM控制两种控制方式。
①单极性PWM输出电压的频率必双极性PWM提高了1倍。
（在开关频率fs相同时）
②单极性PWM输出电压的脉动幅度，由双极性降低了一半。
总之，单极性控制下输出电压的频率高，脉动小，有利于滤波器的设计。
第2部分：
画图及计算题
1.在图5-1所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω，L值极大（表示电感电流连续平直），EM=30V，Ts=50μs,ton=20μs,回答下列问题：
1）计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，输入电源的电流平均值Iin。
2）时间轴彼此对应地画出如下波形：
输出电压uo，电感上电压uL和电流iL，，器件V上电流iv和电压uv，二极管VD上电流id和电压uVD。
（电压的正方向如图中所示,电流正方向与对应电压相同）
3
）计算器件V上电流平均值IdV和有效值IV；二极管VD上电流平均值IdVD和有效值IVD。
输出电流平均值I0UoREM5A
输入电源的电流平均值IinDIo2A
3）
器件V上电流平均值
2.在图5-2所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20Ω，采用脉宽调制控制方式，当Ts=40μs，ton=25μs时，回答下列问题：
1）计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，输入电源的电流平均值I1。
2）时间轴彼此对应地画出如下波形：
电感上电压uL和电流iL，器件V上电流iv和电压uv，二极管VD上电流iVD和电压uVD。
（电压的正方向如图中所示,电流正方向与对应电压相同）
3）计算电感上的电流平均值IdL，器件V上电流平均值IdV和有效值IV；二极管VD上电流平均值IdVD和有效值IVD。
uL
uVD
uV
图5－2
解：
3）电感上的电流平均值IdLI117.8A
3.如图5-3所示降压斩波电路，设输入电压E＝200V，电感L是100μH,电容C无穷大，输出接10Ω的电阻，电路的工作频率是50KHz，全控器件导通占空比为0.5，回答下列问题：
1）计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。
2）画出器件V上电流iv波形，并计算流过器件V的峰值电流。
3）为了将器件V的峰值电流减小为输出直流电流Io的110％，应改变什么参数，它的取值是多少？
解：
1）输出电压平均值U0DE100V，输出电流平均值I0U010AR
2）电感L上电流是一条围绕平均值io的折线，如下图所示，器件V上电流iv是上升部分。
1
12iLI01.1I0iL0.2I
U0
L
gton
0.2Io
4
L5104H500uH
4.在图5-4所示的升降压斩波电路中，已知E=100V，L值和C值极大，R=10Ω，采用脉宽调制控制方式，当Ts=40μs，回答下列问题：
1）要求输出电压Uo在50V～150V之间调节时，计算占空比的变化范围。
2）占空比为0.5时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。
并画出如下波形：
电感上电压uL，开关V上电流i1，及二极管VD上电流i2的波形。
3）在2）题的条件下，计算开关V上电流平均值IdV和有效值IV；二极管VD上电流平均值IdVD和有效值IVD。
4
图5－4
解：
5.图5－5为全桥DC－DC变换器，E＝200V，EM=50V，R＝5Ω，L值极大，采用双极性PWM控制，器件的开关控制信号通过给定信号与三角波相比较而生成，如图5－6所示。
回答下列
问题：
1）在图5－6基础上，时间轴对应地画出器件V1～V4驱动信号的波形（高电平表示开通，低电平表示关断），及变换器输出电压uo的波形。
2）假设负载电流Io为正且平直连续，分别写出当器件V1上施加开通和关断控制信号时，负载电流的路径。
（要注意器件上施加开通控制信号后，它是否能够导通，取决于负载电流的方向）
3）假设负载电流Io为负且平直连续，分别写出当器件V1上施加开通和关断控制信号时，负载电流的路径。
4）vcontrol0.5V?
tri时，计算V1器件驱动信号的占空比，输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，输入电源的电流平均值Iin。
图5－5
图5－6
解：
1）V1～V4驱动信号的波形（及变换器输出电压uo的波形。
2）假设负载电流Io为正且平直连续，
当器件V1上施加开通控制信号时，负载电流的路径：
E+→V1→负载→V4→E-
当器件V1上施加关断控制信号时，负载电流的路径：
E-→VD1→负载→VD4→E+
3）假设负载电流Io为负且平直连续，
当器件V1上施加开通控制信号时，负载电流的路径：
E-→VD3→负载→VD2→E+
当器件V1上施加关断控制信号时，负载电流的路径：
E+→V3→负载→V2→E-
4）vcontrol0.5V?
tri时，t1vcontrolTs
1
18Ts，
ton
2t112Ts
4Ts
V
tri4
V1器件驱动信号的占空比
DV1
t13ton4
输出电压平均值U0（2D
1）E
100V
输出电流平均值IU0EM
100
50
10A
0
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